滿足頁巖氣水平井固井質(zhì)量的套管扶正器研究

趙建國，李 黔，尹 虎

（西南石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，成都610500）①

據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過90%的頁巖氣水平井采用套管固井［1］，有利于井壁穩(wěn)定及后期采取增產(chǎn)措施等［2］。為提高固井質(zhì)量，通常在套管上安裝扶正器［3－5］。由于頁巖吸水會膨脹、井眼容易垮塌和變形，因此對扶正器的要求更為苛刻。目前的扶正器都存在著居中度不高的問題，且由于外徑的限制使得下入困難。因此，有必要研制同時具備安全下入、產(chǎn)生旋流、具有較高居中度性能的扶正器。

1 現(xiàn)有扶正器的不足

1） 剛性旋流扶正器 目前在215.9mm（8.5英寸 ）的井眼中下入最大扶正器的外徑達(dá)212mm，雖然外表加工有滾輪，可在一定程度上增加套管的下入安全性，但是井眼與扶正器的間隙極小，下入困難，容易出現(xiàn)蹩卡現(xiàn)象。在鉆進(jìn)過程中鉆頭的振動、偏心等原因?qū)е戮畯桨l(fā)生變化［7］，若井徑擴(kuò)大率可達(dá)10%，剛性扶正器的居中度會大幅降低，同樣其旋流效果也很差，導(dǎo)致頂替效率極低［8－9］。

2） 彈簧片扶正器 彈簧片扶正器分為單弓、雙弓等類型［10］，其外徑很大，下入過程中受到井眼的軸向力而發(fā)生徑向擴(kuò)大變形，導(dǎo)致阻力會大幅增加，下入困難。彈簧片扶正器扶正需要軸向阻力，下入至設(shè)計(jì)井身時由于其軸向阻卡力有限，居中度不高于70%，并且不能產(chǎn)生旋流頂替。

3） 變徑扶正器 已開發(fā)的變徑扶正器，初始外徑同樣很大，如在215.9mm（8.5英寸）的井眼中下入最大扶正器的初始外徑達(dá)210mm，使得下入安全性問題同樣沒有徹底解決。且其最大擴(kuò)徑也只有設(shè)計(jì)井眼的直徑大?。?1］，沒有考慮井徑的變化。

2 新型扶正器的結(jié)構(gòu)及工作原理

新型扶正器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中：扶正機(jī)構(gòu)為彈簧片；止退機(jī)構(gòu)由彈簧、止退銷釘和止退孔組成；液壓機(jī)構(gòu)由內(nèi)密封圈、外密封圈、活塞和液壓腔共同組成。扶正彈簧片上有3～8根均勻軸對稱分布的支撐片，可提足夠的支撐力。液壓腔外部開有3～6個與軸線成30～600°夾角的螺旋槽，水泥漿在螺旋槽上產(chǎn)生旋流。

圖1 新型扶正器結(jié)構(gòu)

下入前組裝扶正器，如圖1，使扶正彈簧片處于徑向預(yù)彎狀態(tài)，以使其對套管扶正時所需的液壓更小，更容易扶正。套管下入過程中，扶正彈簧片收縮在液壓腔里面，不僅可以確保下入過程中彈簧片不會撐出，還可以使帶旋流功能的可變徑套管扶正器的外徑變得很?。ǚ稣魍鈴脚c接箍外徑相同），下套管時可以大幅減小套管摩阻，顯著增加下套管的安全性。當(dāng)固井管串下入到指定位置時，對帶旋流功能的可變徑套管扶正器加液壓，此時液壓從主體上的液壓孔傳遞到活塞上，活塞向右移動，從而軸向擠壓扶正彈簧片，扶正彈簧片上處于徑向預(yù)彎的支撐片徑向變形，同時彈簧與止退銷釘向右移動。當(dāng)移動到設(shè)計(jì)位置時，止退銷釘在彈簧的彈力下與止退孔配合，從而阻止彈簧片向左移動，此時彈簧片將不能徑向收縮，套管扶正完畢。對井眼注水泥固井時，水泥漿在螺旋槽上產(chǎn)生旋流，從而提高水泥漿的頂替效率，最終達(dá)到提高固井質(zhì)量的目的。

3 主要參數(shù)

新型扶正器的系列及主要參數(shù)如表1所示。

表1 新型扶正器的主要參數(shù)

由表1可知：新型扶正器在未撐開彈簧片時其最大外徑與套管接箍外徑相同，因此即便使用了套管扶正器也不會增加管串的外徑，其與井壁的間隙可達(dá)到最大值，能有效降低管串的下入摩阻；并且，當(dāng)彈簧片撐開后，其外徑跟井眼相比可超過10%，能在井眼擴(kuò)眼情況下提高套管的居中度。

4 試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置如圖2。本試驗(yàn)?zāi)M的是1根套管安裝1個扶正器的情況。內(nèi)徑為215.9mm（8.5英寸）的鋼管模擬井筒，將158mm的扶正器安裝在井筒內(nèi)，并將扶正器兩端分別懸空固定在支架上，給鋼管加載荷（為1根139.7mm套管的重力），最后將液壓管線連接在液壓噴嘴上。開泵加壓試驗(yàn)如圖3。

圖2 扶正器試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

圖3 扶正器的壓力－居中度關(guān)系曲線

由圖3可知，在扶正器加壓至14MPa時，扶正器的居中度為97%，而常規(guī)扶正器僅有75%左右的居中度，因此，試驗(yàn)證明能充分滿足頁巖氣水平井的固井要求。

5 結(jié)論

1） 本文結(jié)合了旋流扶正器、彈簧片扶正器及液力變徑扶正器的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了適用于頁巖氣水平井固井質(zhì)量要求的可變徑的彈簧片帶旋流的新型頁巖氣水平井套管扶正器。

2） 在頁巖氣水平井套管串下入過程中，新型扶正器的外徑與套管接箍的外徑相同，與常規(guī)扶正器相比較其外徑小了約30%，因此，在頁巖氣水平井對固井條件要求較苛刻的條件下，新型扶正器下入更容易、更安全。

3） 試驗(yàn)結(jié)果表明：在壓力為14MPa時新型扶正器的居中度為97%，超過常規(guī)套管扶正器約75%的居中度，可大幅提高頁巖氣水平井的套管居中度及頂替效率，從而提高頁巖氣水平井的固井質(zhì)量。

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